一种钢-玻璃钢复合板材脱粘超声导波评价方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及利用大功率超声导波检测系统实现超声导波对钢-玻璃钢复合板材 结构质量状况的有效检测与评价，是属于超声无损检测范围的一种新的复合材料结构质量 检测评价方法，具体涉及的是一种钢-玻璃钢复合板材脱粘超声导波评价方法。
【背景技术】
[0002] 在航空航天领域中，粘接结构因其比强度、比模量高、抗疲劳强、造价低、减震及其 他显著的优势得到越来越广泛的应用。作为金属-非金属粘接结构代表之一的钢-玻璃钢 粘接结构，由于在粘接过程中由于粘接工艺和在役损伤等许多实际原因在其粘接界面经常 会出现分层、脱粘、强度弱化等缺陷，严重影响粘接结构的完整性，在使用过程中可能造成 灾难性的后果。比如在粘接工艺之前未对粘接界面进行清洗，粘接剂涂抹不均匀或未采用 合适的固化工艺等都会导致粘接界面脱粘或弱粘接，且使用环境和残余应力也会影响粘接 结构的使用效果。因此，对粘接结构质量的检测与评价对于保证粘接结构的有效性和可靠 性具有重大的实际意义。
[0003] 目前常用于检测粘接结构的无损检测方法有：超声检测、红外热成像、射线照相法 以及渗透法。红外热成像法虽然具有图像显示直观、非接触、检测精度高、应用范围广等优 点，但由于应用成本高，对温度等外界环境因素较敏感，所以在实际应用中受到严格的环境 因素的限制；射线照相法是指利用X射线和r射线穿透试件，以胶片记录结构信息。射线 在穿透过物体时会与物质发生相互作用，因吸收和散射而使其发生不同程度的衰减。通过 观察底片图像的黑度差异来判断结构的粘接质量。它的优点是用底片记录介质信息，可直 接得到缺陷的直观图像、而且可以长期保存。通过观察底片就能够比较准确地判断出缺陷 的性质、数量、尺寸和位置等信息。但是它不能检出垂直照射方向的薄层缺陷，比如钢板的 分层，且对充气缺陷不敏感。相比于超声法，检测成本较高，检测速度缓慢，且对人体有伤 害，需要采取防护措施，所以射线法的应用受到了限制；渗透法是用于检测试件表面缺陷的 方法。它的优点是可以同时显示种种表面缺陷，检测的效果直观。但这种方法只能用于检 测开口暴露在工件表面的缺陷，不能检测内部隐藏缺陷。相比上述几种无损检测方法，超声 检测法因其设备轻便、检测成本低、速度快、穿透能力强、缺陷定位准确、灵敏度高、对人体 及环境无害、被检对象范围广及现场使用较方便等优势，而得到了广泛的应用。本次研究首 次提出采用超声导波检测技术对钢-玻璃钢粘接结构的粘接质量进行检测与评价。
[0004] 目前常用于检测粘接结构的超声检测方法主要有脉冲回波法、斜入射法、超声相 控阵法、声-超声法、超声导波法。其中超声导波法因其显著的优势已经被广泛应用。超声 导波的理论最初于20世纪50年代出现。对超声导波的研究按照传播介质分类可以分为板 型介质中的Lamb波、SH波传播特性的研究以及空心圆柱体中的多模态导波的研究。超声 导波是由于超声波在波导内部的不连续交界面间经过多次反射、干涉后发生波型转换而产 生的，其中，板状波导中的导波可分为Lamb波和SH波；导波的最显著的特性就是频散和多 模态；频散特性能够反映介质的几何参数和物理参数的变化，所以通过研究超声导波的频 散特性就能够对波导的材料进行检测和评价。在应用方面，美国宾西法尼州立大学的J. L. Rose教授早在上个世纪末就已经编著了关于固体中的超声波的专著。国内在这方面的研究 也有一些进展。第二炮兵工程学院的艾春安和高利荣等在利用超声导波检测固体火箭发动 机的壳体时，求解了导波在壳体内传播时的频散方程，并通过导波在结构内传播时的频散 曲线评价固体火箭发动机壳体中钢层和绝热层之间的层状粘接结构的粘接质量。西安交通 大学的张锐和万明习 [3°]等通过数值仿真模拟和试验验证的方法，提出了一种全新的准确 评价层状粘接质量的超声导波方法。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是针对复合板材钢-玻璃钢粘接结构质量检测需要，提出一种 钢-玻璃钢复合板材脱粘超声导波评价方法。采用直接接触法用两个固定间距的500 KHz 超声导波探头以一定入射角激励和接收导波检测信号，获得板材结构检测信息，通过与脱 粘良好处的健康超声导波检测信号做互相关处理，计算出互相关系数，可以根据互相关系 数的大小对脱粘缺陷大小进行定量评价，实现对该类复合板材结构质量状况的有效检测与 评价。
[0006] 本发明的技术方案：一种钢-玻璃钢复合板材脱粘超声导波评价方法，其特征在 于方法步骤如下： (1) 利用大功率超声导波检测系统进行检测，检测频率500 KHz，检测钢-玻璃钢双层 结构复合板材，环氧高温压制而成，钢板厚为0.8 _，玻璃钢厚为2. 5 mm;检测导波探头中 心频率为500 KHz，探头楔块角度为60度，保证激励出有效的导波模态；两个导波探头采用 一发一收方式检测，探头间距保持为60 mm，能够使接收信号有充足的检测能量，保证足够 的检测灵敏度； (2) 在试样上采集一组无脱粘缺陷的健康信号然后再对有不同大小脱粘缺陷处 进行检测rji；(i=l，2, 3…），将采集缺陷检测信号，进行后期的互相关处理和分析； (3) 因此将采集到的不同大小缺陷处检测信号与健康信号χΓ?；进行互相关处 理，计算出互相关系数，最后根据不同大小的脱粘缺陷与互相关系数进行对照，获得缺陷大 小与互相关系数间的内在联系，从而实现超声导波对该复合板材结构质量状况的有效检测 与评价。
[0007] 本发明所述互相关函数就是用来描述两个相似信号的相关程度，它是表示两个信 号之间依赖关系的相关统计量，针对两个连续信号互相关函数定义如公式（1):
(1) 信号X⑷在时刻?，信号在时刻（相乘的平均值，其中f是延迟时间，劝采 样点。对信号X⑴、Λ⑴以时间间隔进行采样，假定单位延迟时间^ = Δ/，得到
其中/7是延迟时间序列，a是时间序列，得到两个离散信号的互相关函数表达 式如公式（2):
(2) 在实际情况下，为了更加形象的表达出两个变量的相关性，在基于互相关函数的基础 上定义了互相关系数，表达式如公式（3):
(3) 互相关系数Pvfr)在-1至1之间，它的值越大，说明两个变量的相似度越大。
[0008] 基于上述互相关评估的理论，可以通过互相关系数间接反映缺陷大小引起的差 异。以无缺陷情况的健康信号χΓ?；为参考信号，与之相关系数越小，缺陷越大。
[0009] 本发明与现有技术相比具有的特点是： 一般超声导波主要用于单一介质的波导材料(板材、棒材、管材等）检测，由于超声导波 检测时存在频散特性和多模态特点，检测是需根据不同材料中的频散特性选择合适的导波 模态就行检测，这方面的研究在国内外都已经较成熟。而由于在金属基粘接复合板材中导 波传播机理更为复杂，频散曲线很难计算，而且导波在复合材料中的传播衰减严重，所以对 于数个毫米的金属基粘接复合板材的超声导波检测还处于实验室仿真研究阶段，常规超声 导波检测方法仍然很难实现对该类粘接复合材料的有效检测与评价。本次发明的评价方法 就是通过一定入射角激励出传播能量大并能在玻璃钢层传播的导波模态信号，通过固定距 离的接收信号保证接收到有效检测信号，最后经过计算不同大小脱粘信号与健康信号的互 相关系数，建立脱粘缺陷大小与互相关系数间的内在联系，最终实现超声导波对该复合板 材结构质量状况的有效检测与评价，这种方法不用考虑超声导波模态的变化，且通过探头 距离保证足够的传播能量，从而避免了频散曲线的计算和不同模态导波的传播机理分析。
【附图说明】
[0010] 图1本发明的大功率超声